智能傳感與檢測(cè)技術(shù) 教案 2 電容式傳感器

《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》課程教案授課章節(jié)第2章電容式傳感器2.1電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.2電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2.3電容式傳感器的應(yīng)用實(shí)例建議課時(shí)授課方式理論知識(shí)講授+多媒體演示+課堂提問討論所屬專業(yè)教學(xué)目標(biāo)掌握電容式傳感器的工作原理以及分類熟悉電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路熟悉電容式傳感器在工程上的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)電容式傳感器的原理及分類電容式傳感器的典型應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路參考教材《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》徐小華主編機(jī)械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學(xué)內(nèi)容『新課導(dǎo)入』演示：準(zhǔn)備形狀大小相同的兩片銅片以及萬(wàn)用表。將銅片互相接近，用萬(wàn)用表測(cè)量?jī)烧唛g的電容量，可以看到，隨著二者的靠近，電容量逐漸增大；保持銅片的距離不變，請(qǐng)學(xué)生在兩者之間逐漸插入塑料薄膜，用萬(wàn)用表測(cè)量?jī)烧唛g的電容量，可以看到電容量逐漸增大；保持銅片距離不變，將兩銅片向水平方向分開，可以看到，萬(wàn)用表顯示的電容量逐漸減小。通過(guò)以上顯示，引入電容傳感器的工作原理?！菏谡n內(nèi)容』2.1電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來(lái)說(shuō)明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容為：【課堂提問】由式可知，電容量C與A、d、ε三個(gè)參量有關(guān)。當(dāng)改變A、d、ε三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，都會(huì)引起電容C的變化。若保持其中任意兩個(gè)參量不變，只改變另一個(gè)參量，那么該參量的變化就能轉(zhuǎn)換為電容量的變化，那么電容式傳感器能分成幾種呢？分別是哪些類型？根據(jù)引起電容量變化的參量的不同，電容傳感器可以分為三種類型：改變遮蓋面積型電容傳感器、變極距型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器。2.1.1變遮蓋面積型電容式傳感器圖（a）是直線位移式結(jié)構(gòu)，極板A固定不動(dòng)，稱為定極板，極板B能夠左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板，與被測(cè)物相連。當(dāng)被測(cè)物移動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)極板B發(fā)生位移，從而改變與定極板A的相互遮蓋面積，使兩極板間的電容量發(fā)生變化。圖（b）是角位移式結(jié)構(gòu)，當(dāng)動(dòng)極板圍著轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩極板的遮蓋面積會(huì)發(fā)生變化。2.1.2變極距型電容式傳感器當(dāng)動(dòng)極板隨著被測(cè)物體發(fā)生位移時(shí)，兩極板之間的距離d就會(huì)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化。實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。一般變極距型電容傳感器的起始電容在20-30pF，極板間距在25-200um，最大位移通常小于極距的1/10。所以，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了減小非線性，提高靈敏度，多采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，見教材第14頁(yè)圖2-4。2.1.3變介電常數(shù)型電容式傳感器因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。變介電常數(shù)型電容式傳感器可以用來(lái)測(cè)量位移、液位、物位等參數(shù)。表2-1中給出了幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。見教材第15頁(yè)圖2-5所示，上下兩極板保持相互遮蓋面積和極距不變，相對(duì)介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)插入電容器中的深度發(fā)生變化時(shí)，兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積也會(huì)發(fā)生變化，從而使電容器的電容量發(fā)生變化。被測(cè)介質(zhì)εr2進(jìn)入極板間的深度與引起電容量的變化成線性關(guān)系。2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2.2.1調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容傳感器作為L(zhǎng)C振蕩器諧振回路的一部分，振蕩器的頻率受電容傳感器電容的調(diào)制。當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，LC振蕩器的振蕩頻率就會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)C/f轉(zhuǎn)換。見教材第15頁(yè)圖2-6為振蕩器調(diào)頻電路原理圖，振蕩器輸出頻率的變化在鑒頻器中轉(zhuǎn)化電壓幅度的變化，經(jīng)過(guò)放大器放大、檢波之后就可以用儀表指示或用記錄儀器記錄下來(lái)?！菊n堂討論】分析調(diào)頻電路中各部分的功能。振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：式中——振蕩回路的固定電感——振蕩回路總電容包括振蕩回路的固有電容、傳感器的引線分布電容以及傳感器的電容，即2.2.2脈沖寬度調(diào)制電路圖2-7所示為電容傳感器的脈沖寬度調(diào)制電路。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的端輸出為高電平時(shí)，點(diǎn)通過(guò)對(duì)充電，點(diǎn)電位逐漸升高。在端為高電平期間，端為低電平，電容通過(guò)低內(nèi)阻的二極管迅速放電，點(diǎn)電位被鉗制在低電平。當(dāng)點(diǎn)電位升高超過(guò)參考電壓時(shí)，比較器產(chǎn)生一個(gè)“置零脈沖”，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，點(diǎn)跳變?yōu)榈碗娢?，點(diǎn)跳變?yōu)楦唠娢?。此時(shí)經(jīng)二極管迅速放電，點(diǎn)被鉗制在低電平，而同時(shí)點(diǎn)高電位經(jīng)向充電。當(dāng)點(diǎn)電位超過(guò)時(shí)，比較器產(chǎn)生一個(gè)“置1脈沖”，使觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，點(diǎn)恢復(fù)為高電位，點(diǎn)恢復(fù)為低電位。如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一個(gè)寬度受電容、調(diào)制的脈沖波形，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。對(duì)于差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路，不論是改變平板電容器的極距或是極板相互遮蓋面積，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系。2.2.3運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器具有放大倍數(shù)K非常大、輸入阻抗很高的特點(diǎn)，因而可以作為電容傳感器比較理想的測(cè)量電路，見教材第16頁(yè)圖2-8，為電容傳感器。2.3電容式傳感器的應(yīng)用實(shí)例電容器的電容量受到三個(gè)因素的影響，即：極距、相互遮蓋面積和極間介電常數(shù)，固定其中的兩個(gè)變量，電容量就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距、面積或者介電常數(shù)的變化，就能通過(guò)測(cè)量電容量這個(gè)參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的目的。電容傳感器的用途有很多，例如可以利用面積變化的原理，測(cè)量直線位移、角位移，構(gòu)成電子千分尺；利用介電常數(shù)變化的原理，測(cè)量環(huán)境相對(duì)濕度、液位、物位；利用極距變化的原理，測(cè)量壓力、振動(dòng)等等。2.3.1電容料位計(jì)電容料位計(jì)原理圖見教材第17頁(yè)圖2-9。1、被測(cè)物料為導(dǎo)電體圖（a）所示，電容料位計(jì)以直徑為d的不銹鋼或紫銅棒做電極，外套聚四氟乙烯塑料絕緣套管。將其插在儲(chǔ)液罐中，此時(shí)導(dǎo)電介質(zhì)本身為外電極，內(nèi)、外電極極距為聚四氟乙烯塑料絕緣套管的厚度，當(dāng)料位發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)、外極板的相對(duì)面積發(fā)生變化，從而使電容量隨之變化。被測(cè)物料為絕緣體圖（b）所示，電容料位計(jì)可采用裸電極作為內(nèi)電極，外套以開有液體流通孔的金屬外電極，通過(guò)絕緣環(huán)裝配。當(dāng)被測(cè)液體的液面在兩個(gè)電極間上下變化時(shí)，電極間介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)（上面部分為空氣，下面部分為被測(cè)液體）的高度發(fā)生變化，從而使得電容器的電容量改變。被側(cè)液位的高度正比于電容器電容量的變化。2.3.2電容式厚度傳感器電容測(cè)厚儀工作原理如圖2-10所示。2.3.3電容式差壓傳感器見教材第18頁(yè)圖2-11為一種小型差動(dòng)式電容壓力傳感器。2.3.4電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器有效利用了兩個(gè)電極間的電容量